骨架密实型矿料级配设计方法探究

罗立峰

(华南理工大学广州学院, 广州 516139)

0 概述

级配的好坏是影响路面早期损坏的重要因素。矿料级配决定了矿料颗粒间嵌挤力的大小及混合料密实程度，对路面的抗剪强度影响很大。

(1)

式中：

C——粘结力/kPa；

σ——剪切面上的法向正应力/kPa；

φ——内摩阻力/rad。

1 骨架密实型级配

骨架密实状态是目前诸多级配设计理论共同追求的目标，其原因是因为随着交通量的增大和轴载与胎压的提高，对混合料的级配提出了越来越高的要求。而骨架结构由于高的承载力，所以其抵抗外在荷载的能力较强，从而减轻了对粘结剂的依赖。正因为骨架密实结构混合料具有明显的性能优势，因此，在配合比设计中如何确定骨架结构是比较重要的一环[2]。

笔者认为,“骨架密实结构”其中包含了两层含义，一是“骨架”，二是“密实”，这是两个不同范畴的概念。 “骨架”首先是一个力学指标，内涵中包含了骨架的强弱；而“密实”首先是个体积指标，要求对“骨架”形成的空间结构嵌入和挤满。几档料掺在一起，形成骨架，进而形成比较强的骨架，是骨架密实结构中骨架设计的问题，笔者认为是个力学问题；“密实”首先是为了保证“骨架”在受到外力作用时骨架不变形，保持抗力，有“定型”的作用，因此可以认为是骨架强度的补充。但如何恰当“密实”就有难度了，因为密实是个嵌挤的过程，嵌挤多了或嵌挤力过大了会破坏“骨架”，导致“骨架”强度下降；同样，嵌挤少了或嵌挤力小了，起不到再补充和“定型”骨架的作用，同样导致“骨架”抗力能力下降。

2 级配设计方法的回顾

配合比的设计方法，一般包括两方面的设计：矿质混合料的配合比设计和粘结剂最佳剂量的设计。本文主要研究的是前一部分，即矿质混合料的配合比设计。目前矿质混合料的主要设计步骤如下所述[3]：

(1)材料的准备。按相关试验规程规定取样的方法，取足够的数量且有代表性的矿料试样，按有关规程所提出的技术要求进行试验检验。当检验不合格时，不得用于试验及施工。

(2)矿质混合料的配合比设计。

①查阅有关规范推荐的矿质混合料的级配范围，确定混合料的类型。或直接采用施工图所提供的矿质混合料的级配范围。

②矿质混合料的配合比比例计算。根据各组成材料的筛分试验资料，采用图解法或试算法，计算符合要求级配范围的各组成材料的用量比例。

从以上设计过程可知，在矿质混合料的配合比设计中，涉及到的仅为筛分试验结果，也就是只考虑了矿料的粒径分布情况，但其他各项性状均未考虑。

一般来说，评价矿料的性状指标可分为三大类：第一类是物理指标、力学指标，包括强度、磨光值、磨耗率、酸碱性、密度、吸水率等；第二类是体积指标，包括几何形状(如针片状颗粒含量、棱角性、破碎面等)；第三类是工程指标，包括软石含量、粉尘含量、含泥量等。

这些指标的大小以及对混合料的性能产生影响，都是级配设计要考虑的。可是目前的级配设计过程中除粒径大小以外，其它性状均未考虑[2]。

由于目前的矿料级配设计方法没有在设计过程中考虑矿料的性状，所以只能通过完成配比后进行试验验证，相对来讲比较被动，可以说目前的矿料级配设计方法均为验证法。如何才能变被动为主动呢？笔者认为应从一开始矿料级配设计初始就应该考虑矿质材料的性状，这样设计针对性比较强。

3 骨架密实型矿料级配的设计思路

将骨架密实级配混合料的骨架及密实分开进行设计。“骨架”设计思路是由粗到细，逐级填充逐级找出最强“骨架”，直至倒数第二档；“密实”设计思路是骨架级配设计完成的矿质级配集料的间隙率应等于最后一档料(最细的一档料)的体积，通过体积法完成密实填充。

对于骨架强弱，目前还没有一个比较公认可行的评价方法[2]，但由于CBR(%)普遍且不失为较好的一种评价“骨架”强弱的方法[4]，故在此采用CBR(%)法评价“骨架”的强弱，CBR值越大，骨架越强。“密实”采用体积法(V)进行设计，进而通过微调完成整个配合比设计。两种方法合并在一起，利用了强度设计和体积设计的概念，故称之为强度体积法，简称为CBR-V法。

假定有i档料，从粗到细依次定义为1到n。最粗的一档料定义为一级掺配；最粗的一档料和次粗的一档料掺配，定义为二级掺配；通过CBR试验找出最大CBR值所对应的掺配比例，形成新的档料。二级掺配后形成的新的一档料和第三档料掺配，定义为三级掺配；通过CBR试验找出最大CBR值所对应的掺配比例，形成新的档料。依次类推，直至(n-1)级。通过试验测定(n-1)级掺配料的间隙体积；通过试验测定第n档料的体积。其设计思想可用式(2)表示。

VDRC=Va

(2)

式中：VDRC—除最后一档料(最细的一档料)以外，其它集料搭配合成的级配集料的间隙率；

Va—最后(也是最细的一档料)一档料的体积。

CBR-V设计方法的基本原理：

为方便叙述，现假定用于级配的集料为四档，由细到粗，分别记作A、B、C和D，其对应的量分别记作aij、bij、Cij和dij(角标i为掺级配级数，j为该掺配级所对应的量(%))。若各掺配集料的公称最大粒径为31.5mm，依据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)表3.8.2，D、C、B和A四档料分别为G2(20～30mm)、G8(10～20mm)、G11(5～10mm) 和XG3(0～5mm)。为求取方便，前面几档料定义为骨架区，最后一档料定义为密实区。按此原则本文中D、C、B三档料为骨架区，A档料为密实区。分级求取D、C、B三档料的级配比例。

3.1 一级掺配

一级掺配属单档料掺配，只需分别通过CBR试验，求取对应的CBR值。分别记作CBR(D)1、CBR(C)1、CBR(B)1；对应的量分别记作d11、c11、b11。

3.2 二级掺配

二级掺配为D和C两档料之间的掺配。两档料所对应的量满足式(3)关系：

d2j+c2j=100

(3)

根据经验或参考规范级配范围，选取不少于5个比例：d21、d22、……d2n和c21、c22、……c2n，一一对应分别进行掺配，通过CBR试验求取CBR(DC)21、CBR(DC)22、……CBR(DC)2n。之后，利用统计软件进行统计分析，并求出CBR(DC)2max，其对应的配比即为D和C两档料的最佳掺配比例。掺配完成的料定义为(DC)，成为新的一档料。

3.3 三级掺配

三级掺配是将二级掺配后获取的新的一档料(DC)和更细的B档料进行掺配。两档料所对应的量满足式(4)关系：

(dc)3j+b3j=100

(4)

根据经验或参考规范级配范围，选取不少于5个比例：(dc)31、(dc)32、……(dc)3n和b31、b32、……b3n，一一对应分别进行掺配，通过CBR(%)试验求取CBR(DCB)31、CBR(DCB)32、……CBR(DCB)3n。之后，利用统计软件进行统计分析，并求出CBR(DCB)3max，其对应的配比即为(DC)和B两档料的最佳掺配比例。掺配完成的料定义为(DCB)，成为新的一档料。若剩余的料超过一档以上，则以此类推。

3.4 求取(DCB)集料的间隙率VCADRC

定义A档料的体积Va=VCADRC，则a=ρa×Va。ρa为A档料的紧装密度。

3.5 四级掺配

四级掺配是将三级掺配后获取的新的一档料(DCB)和A档料进行掺配。两档料所对应的量满足式(5)、式(6)关系：

(dcb)4+a=100

(5)

(dcb)4=(100-a)

(6)

3.6 各档料的求解

令a4=a，则通过反演推算出配比各值。具体计算可参照表1进行。当料档超过4档时，可按表1中的规律类推。

表1 级配反演推算

注：此处仅提供四级，可加推。

4 相关参数试验测试的有关建议及说明

(1)ρa为细集料的紧装密度。在沥青混合料中，细集料是指粒径小于2.36mm的天然砂、人工砂(包括机制砂)及石屑；在级配碎石、水泥(石灰)稳定级配碎石中，细集料是指粒径小于4.75mm的天然砂、人工砂。试验测试方法采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中的T 0331-1994 细集料堆积密度及紧装密度试验[5]。

(2)合成集料间隙率VCADRC。试验测试方法采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中的T 0309-2005 粗集料堆积密度及孔隙率试验。该试验中关于孔隙率的计算提供了两种计算方式，水泥混凝土和沥青混凝土。本文建议采用“5.4 沥青混合料用粗集料骨架捣实状态下的间隙率按式(T0309-4)计算”[2]。具体计算时应换算为体积。

式中：VCADRC—捣实状态下粗集料骨架间隙率(%)；

ρb—按T 0304确定的粗集料的毛体积密度(t/m3)；

ρ—按捣实法测定的粗集料的自然堆积密度(t/m3)。

(3)CBR试验[6]。CBR试验验证测试方法采用《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的T0134-1993 承载比(CBR)试验。计算公式如式(7)所示。

(7)

式中:P—对应的2.5mm和5mm贯入量的矿料单位压力/kPa；

PS—与矿料相同贯入量的标准单位压力/kPa。

在测定CBR2.5和CBR5时，由于此时只是粗集料(一般来讲大于3mm)，所以试验规程中的部分内容需要调整，未说明的部分同规程。

①标定路面材料强度仪及百分表。

②试样可在烘箱内烘干。

③成型：推荐采用捣实成型。将掺配好的集料分三次装入，每次1/3高度。每装入一层用捣棒由边至中均匀捣实25次，捣实深度约至下层的表面。之后重复上一步骤，再装下一层，其他类同。加最后一层，捣实25次后，使集料表面齐平[7]。

④连同底座一起搬上路面材料强度仪上，安装荷载板，进行贯入试验，并计算出CBR2.5和CBR5。

⑤CBR2.5和CBR5，若出现CBR2.5大于CBR5时，试验重做。同时发现有跳表现象时应归零重做，最终以CBR5为准。

5 结论及建议

通过将骨架密实级配混合料的骨架及密实分开进行设计，提出了强度体积设计法的设计思路，即CBR-V法。由于该方法应用实例较少，故建议仅用于生产配比的校核和验证。具体建议如下：

(1)在骨架密实型级配碎石配合比设计中，可直接采用CBR-V法进行级配设计，也可用于验证或参考修正已有的级配设计。

(2)在骨架密实型水泥稳定级配设计中，应用CBR-V法进行级配设计时，考虑到水泥量对体积的影响，建议采用内掺法。同上，可直接采用此法进行配比设计，或用于验证或参考修正已有的级配设计。

(3)在骨架密实型的沥青混凝土级配设计中，本文的研究还远远不够，但可用此方法验证生产配比中的集料配比情况，作为集料配比修正的参考。